Η θερμοδυναμική είναι μια ειδικότητα φυσικής αφιερωμένη στη μελέτη της ενέργειας σε μεγάλα συστήματα. Πιο συγκεκριμένα, η θερμοδυναμική εξηγεί τη σχέση μεταξύ της κινητικής και της δυνητικής ενέργειας ενός συστήματος με την ποσότητα θερμότητας και εργασίας που μπορεί να παράγει το σύστημα. Με τα χρόνια, μηχανικοί και μαθηματικοί, συμπεριλαμβανομένων των Isaac Newton και James Joule, έχουν αναπτύξει τρεις καθολικές αρχές θερμοδυναμικής. Αυτοί είναι γνωστοί ως οι νόμοι της θερμοδυναμικής.
Ο νόμος «Μηδέν»
Ο περίεργα ονομαζόμενος «μηδενικός» νόμος της θερμοδυναμικής θεσπίζει την αρχή της θερμοδυναμικής ισορροπίας. Αυτό περιγράφει την τάση της ενέργειας μέσα σε ένα σύστημα να απλώνεται ομοιόμορφα σε όλο το σύστημα. Εάν θερμάνετε ένα δοχείο νερού, για παράδειγμα, όλο το νερό στο δοχείο θα αυξηθεί τελικά σε μια ομοιόμορφη θερμοκρασία, παρόλο που εφαρμόσατε θερμότητα μόνο στο κάτω μέρος του δοχείου.
Ο πρώτος νόμος
Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής, ή ο νόμος της διατήρησης της ενέργειας, εξηγεί ότι η ενέργεια μέσα σε ένα σύστημα δεν μπορεί να δημιουργηθεί ή να καταστραφεί. Σε οποιοδήποτε σύστημα, η συνολική ενέργεια του συστήματος, όπως ορίζεται από την κινητική και τη δυνητική ενέργεια που περιέχεται στο σύστημα, είναι πάντα ίσο με το ποσό της εργασίας που πραγματοποιείται από το σύστημα αφαιρείται από την ποσότητα θερμότητας που προστίθεται στο Σύστημα. Αυτός ο νόμος εξηγεί γιατί πρέπει να συνεχίσετε να προσθέτετε αέριο στο αυτοκίνητό σας για να οδηγήσετε πιο μακριά. Το αυτοκίνητό σας μετατρέπει την πιθανή ενέργεια που αποθηκεύεται στη βενζίνη σε θερμότητα και εργασία.
Ο δεύτερος νόμος
Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής περιορίζει τη μεταφορά ενέργειας μέσα σε ένα σύστημα. Σύμφωνα με το νόμο, είναι αδύνατο να μεταφερθεί το 100 τοις εκατό της διαθέσιμης ενέργειας από ένα μέρος του συστήματος σε ένα άλλο. Η τάση απώλειας ενέργειας είναι γνωστή ως εντροπία. Στην περίπτωση κινητήρων αυτοκινήτων, για παράδειγμα, ανεξάρτητα από το πόσο αποτελεσματική είναι η σχεδίαση, ένα μέρος της πιθανής ενέργειας στη βενζίνη θα σπαταληθεί κατά τη διαδικασία καύσης λόγω εντροπίας. Αυτός ο νόμος εξηγεί επίσης γιατί οι μηχανές συνεχούς κίνησης είναι φυσικά αδύνατες.